摘要：根据半刚性基层沥青路面实际应用，分析基层材料三种代表性的的状况的路面应力，包括完整、松散及干缩开裂裂缝状态下，路面层底主应力、弯拉应变、竖向剪切应力应变、以路面结构竖向位移。分析表明，基层材料松散对面层层底弯拉应变，及路面弯沉的影响较显著；横向干缩裂缝对面层层底纵向方向弯拉应变，及面层剪切应力应变影响较显著。
半刚性基层材料抗压强度和抗压回弹模量高，半刚性基层沥青路面承载能力强，其作为我国主要路面结构型式，在高速公路中占90%以上。然而在使用过程中，常出现不同程度的早期破坏，特别是在交通量较大，重载车辆较多到路段，早期破坏尤为明显，其中主要包括面层和基层的疲劳破坏、半刚性基层引起到反射裂缝、路面车辙以及水损坏引起的坑槽等，这些现象直接或间接由基层的强度降低或破坏引起。半刚性基层沥青路面结构设计原则中，沥青面层仅起到表面功能到作用，车辆荷载主要由基层承担，故半刚性基层施工质量到好坏直接影响到路面的使用性能。
1 参数确定
半刚性基层材料强度经历早期迅速衰减，中期稳定降低以及后期快速破坏三个阶段[1]，早期强度衰减由微裂缝发展引起，中期由宏观裂缝引起，后期由于材料碎裂成粒料状而强度迅速丧失。正常施工使用情况下，半刚性材料早期强度和模量较高；材料配合比不稳定，结合料剂量较低或开放交通过早，材料容易整体破碎成粒料状，强度丧失，模量迅速降低；当结合料剂量过高，养生不妥，基层材料干缩较大，裂缝产生，但整体刚度和强度仍然较好。结合工程实际，根据这三种情况选择路面结构计算参数，如表1所示。
2模型建立
采用有限元分析软件ANSYS，对其进行如下基本假设：板为等厚弹性体，其性质由弹性模量和泊松比表征；沥青面层与基层之间连续；地基为弹性半空间体，基层、地基均为有限尺寸，拟定路面平面尺寸寸15m×20m；地基的底面为自由度完全约束的固定面，层状体系的横断面均为法向位移约束实体采用空间8节点单元solid45，对称结构划分为100000个单元。如图2所示。
3 荷载作用力学响应的分析
3.1半刚性基层材料完整
水泥稳定级配碎石基层材料完整情况下，具有较高的力学强度，根据《沥青混凝土路面设计规范》JTG D50-2006设计参数参考资料，4~6%水泥剂量的水泥稳定级配碎石90d抗压回弹模量为3000~4200Mpa，劈裂强度为0.4~0.6Mpa，根据其他相关文献[1，5，6]，其抗压回弹模量值为3000~14000Mpa，劈裂强度为0.4~0.6Mpa，笔者采用水泥稳定碎石基层模量E=3500Mpa。路面各层层底弯拉应力应变、剪切应力以及层底竖向位移计算结果如表2、表3所示。
水泥稳定基层材料完整情况下，基层发挥了承重功能，车辆荷载位置沥青面层层底的处于受压状态；在车辆荷载位置处计算完成值为11.7×10-2mm；深度5.9cm处剪切应力最大为330.9εμ。
3.2半刚性基层材料破碎
当水泥稳定碎石基层铺筑后，养护不适，过早开放交通，也容易引起破碎松散；或由于车辆荷载、潮湿膨胀干燥收缩的交替作用，疲劳损耗，水泥稳定碎石材料在使用后期处于松散状态，强度和模量都迅速降低。根据相关文献[1]，取该状态抗压回弹模量E=400Mpa，路面各层层底弯拉应力应变、剪切应力以及层底竖向位移计算结果如表4、表5所示。
从表2和表4得出，半刚性基层材料破碎后，沥青面层层底出现主拉应力0.27Mpa，按高速公路重交通的累计当量轴次计算，该应力水平已经超出了材料的允许应力值0.246Mpa；层底z方向的应变εz由32.3με提高到230.2με，提高幅度712.7%，将对沥青面层疲劳损伤较大影响；沥青面层的最大剪应变由330.9με提高到420.6，提高幅度27.1%，路面最大相对沉降量由11.7×10-2mm提高到18.2×10-2mm，对车辙有一定的影响。半刚性基层材料破碎松散对沥青面层层底弯拉应力应变，以及弯沉的影响较显著。
3.3带裂缝半刚性基层
水泥稳定碎石基层由于水泥的结合粘接作用，具有较高的强度和刚度，随水泥剂量的增加而增强，然而不是水泥剂量越高，基层的使用性能就越好。当水泥等结合料的剂量过高时，容易产生干缩开裂。根据实际情况，考虑裂缝贯穿横截面，取裂缝宽度为2mm，基层材料仍完整，E=3500Mpa，计算弯拉应力应变时采用荷载位置1，计算剪切应力应变时采用荷载位置2。结果如表6、表7所示。
综合以上数据得出，产生裂缝的半刚性基层路面与完整基层路面相比，面层层底主应力σ1、z方向弯拉应变、相对沉降量基本一致；ATB-25下面层层底x方向呈现43.6με弯拉应变，裂缝对X方向下面层层底弯拉应变影响明显；AC-16C上面层竖向剪切应力0.74Mpa，应变值1431με，明显高于基层材料完整和松散两种情况。说明半刚性基层裂缝对沥青面层层底X方向的应变，以及面层剪切应力应变影响较显著。
4 实验验证
路表弯沉是在一定荷载作用下路表面的竖向回弹变形，是反映路面整体强度和刚度最直观、最简单的指标。它是由路面各结构层（包括土基）各自回弹变形的综合结果，因此该指标在一定程度上反映了路面各结构层及土基的力学性质。根据江肇高速公路局部基层存在松散地方的路面弯沉实测资料，通过ansys软件计算，对基层完整以及基层出现松散两种情况的沥青路面弯沉值进行对比分析，结果如表7所示。
基层完整与松散的两种状况的路面实测弯沉值与相对沉降计算值比较吻合，利用ansys软件计算车辆荷载作用下的路面相对沉降量评价弯沉值是可行的。
5 结语
1）半刚性基层材料的完好情况，影响到沥青面层的受力状况，基层材料强度和刚度减低，或疲劳破碎后，荷位处面层层底横纵方向弯拉应变增大，路面弯沉值增大，故确保半刚性基层材料完整性，是防止沥青面层早期疲劳破坏的措施的主要出发点。
2）半刚性基层出现横向裂缝，裂缝处沥青面层层底纵向弯拉应变迅速增长，该应变水平间于基层材料完好和松散下应力水平之间；竖向剪切应力应变也显著增长，其应力水平远远高于其他两种情况的应力水平，故严格控制基层材料配比，养护得当，防止裂缝产生，是减少路青路面剪切破坏的有效措施。
3）提出以轮印处的位移与结构模型中心位移的相对沉降量评价路面的弯沉值，对现场弯沉实测数据及ansys软件计算的相对沉降量进行对比，两者比较吻合，说明利用该相对沉降量评价弯沉值有一定的可行性。
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论文作者:李堃
论文发表刊物:《基层建设》2017年第24期
论文发表时间:2017/12/7
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